Prozesstechnologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden in Hochenergie-Lithium-Batterien

Die Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist eines der großen Ziele der aktuellen Batterieforschung. Durch den begrenzten Bauraum im Fahrzeug wird die elektrische Reichweite maßgeblich durch die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen bestimmt. In Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen reine Silicium-Anoden (durch Substitution von herkömmlichen Graphit-Anoden) potenziell eine drastische Steigerung der volumetrischen Energiedichte von 676 Wh/L auf etwa 1.000 Wh/L, also um ca. 40 Prozent.

Ziel dieses Vorhabens ist es, die Technologien für strukturierte Silicium-Schichten als Anoden für Lithium-Ionen-Zellen mit deutlich gesteigerter volumetrischer Energiedichte zu entwickeln. Eine große Herausforderung ist dabei die Erzeugung idealer Schichtstrukturen und -gefüge, welche die drastischen Volumenänderungen des Siliciums bei Lade- und Entladevorgängen über mehrere hundert Zyklen effektiv kompensieren können.

Gleichzeitig wird die Wirtschaftlichkeit des Konzeptes durch die Entwicklung von produktiven und skalierbaren Hochrateprozessen adressiert. Weiteres Ziel ist die Demonstration von Lithium-Ionen-Prototypzellen auf Basis des neuen Anodenkonzeptes mit Rekordenergiedichten von bis zu 1.000 Wh/L für 300 Zyklen. Die Zielvorgabe einer hohen volumetrischen Energiedichte bei gleichzeitig guter Zyklenstabilität adressiert direkt Automobilanwendungen.

Die Arbeiten des Verbundprojektes gliedern sich in drei Bereiche, die jeweils von einem Industrie- und einem institutionellem Partner bearbeitet werden:

• Siliciumabscheidung: Von Ardenne GmbH, Fraunhofer FEP

• Anodennachbehandlung: Gebr. Schmid GmbH, Fraunhofer IWS

• Zellbau, Evaluierung: Continental AG, Fraunhofer IWS

Die einzelnen Arbeitspakete sind inhaltlich so aufgestellt, dass die gesamte Prozesskette von Elektrodenfertigung über Anodennachbehandlung bis zum Zellbau bzw. deren Evaluierung von Projektbeginn an mit bestehenden Prozessen realisiert werden kann. Dadurch ist eine schnelle Analyse und zielgerichtete Anpassung der Zelltechnologie mit hoher volumetrischer Energiedichte mit einer hochkapazitiven Siliciumanode gegeben. Simultan erfolgt die Entwicklung hochproduktiver Prozesse für die wirtschaftliche Herstellung der Siliciumanoden, die durch die zuvor erarbeiteten Erkenntnisse in kurzer Zeit in die Zelltechnologie integriert werden können.

Das erste Arbeitspaket beinhaltet die Abscheidung einer Siliciumanode mittels Vakuum-Dünnschichtverfahren auf dem Stromkollektor. Dabei werden mit dem etablierten Verfahren Magnetron-Sputtern bereits als vorteilhaft hinsichtlich einer Anwendung als Anode gegenüber Graphit bewertete Silicium-Schichten mit einem kolumnaren Schichtgefüge erzeugt. Parallel dazu wird ein neuartiges, hochproduktives Beschichtungsverfahren für Silicium-Schichten auf Basis einer Partikelabscheidung mit einem optimierten Schichtgefüge entwickelt.

Die Tolerierung von Volumenänderungen und die Eliminierung von Schichtspannungen in der Anode soll durch Strukturierungsprozesse auf Basis von Laser- und Ätzverfahren erreicht werden, die der Schichtabscheidung nachgelagert sind. Der Fokus liegt auf effizienten Prozessen zur Herstellung von Anoden mit >3 mAh/cm2, welche in Durchlaufprozessen mit einer Bandgeschwindigkeit >1 m/min auf 200 mm Breite umgesetzt werden können.

Die Machbarkeit der Zelltechnologie wird in gestapelten Prototypzellen demonstriert. Ziel sind Zellen mit einer volumetrischen Energiedichte von 1.000 Wh/L bei 3C über 300 Zyklen. Bei der Umsetzung wird Wert auf die Skalierbarkeit der Methoden und Betrachtungen zu Kostenabschätzungen gelegt, um eine mittelfristige industrielle Überführung der Technologien zu ermöglichen.

Deutschland hat aktuell und zukünftig einen stark wachsenden Bedarf an elektrischen Energiespeichern – sowohl bei Anwendungen der Elektromobilität als auch bei stationären Speichertechnologien (aufgrund der steigenden Nutzung von regenerativen Energien). Diese sind ein essenzieller Wachstumstreiber für das 21. Jahrhundert. Mit der im Projekt adressierten Zielstellung für die Batterieparameter werden die gesellschaftlichen Zielstellungen der Elektromobilität und der Energiewende unterstützt. Unter Einbindung deutscher Unternehmen entlang der Prozess- bzw. Wertschöpfungskette sollen die benötigten Technologien im Pilotlinienmaßstab demonstriert werden. Die Projektergebnisse haben damit eine herausragende wirtschaftliche Bedeutung für den technologieorientierten Anlagenbau (Von Ardenne GmbH, Gebr. Schmid GmbH) und die Batteriefertigung und -anwendung (Continental AG).

Die Ergebnisse des Projekts haben einen vielfältigen Nutzen für die Verbundpartner und stärken den Batterieforschungs- und Batterieproduktionsstandort Deutschland. Durch die Qualifizierung von wissenschaftlichem Personal auf dem Gebiet der elektrischen Energiespeicher wird sowohl die Steigerung der wissenschaftlichen Konkurrenzfähigkeit als auch personelle Fachkompetenz für Unternehmen ermöglicht. Es ergeben sich Möglichkeiten vom Aufbau neuer Anwendungsfelder für den Anlagenbau (Beschichtungstechnik, Ätztechnik für elektrische Energiespeicher), der kostengünstigen Fertigung von Anodenmaterialien basierend auf Silicium bis zum Aufbau einer Produktion für energiereiche Zellen.